수은(Hg)이 상온에서 액체인 이유

수은이 액체인 이유

 

수은은 상온 및 상압(대기압)에서 액체상태로 유지되는 유일한 금속 원소입니다. 그렇다면 왜 수은은 다른 금속들과 다르게 액체 상태로 존재할까요? 수은이 이러한 특별한 성질을 보이는 이유는 수은의 독특한 전자배치와 큰 상대론적 효과로 인해 수은이 전자를 공유하기에 좋지 못한 성질을 가지며 마치 비활성 기체와 비슷하게 행동하기 때문입니다.

대부분의 금속원자는 다른 원자들과 함께 전자를 쉽고 공유하고 이러한 결합적 특징은 '금속결합'이라는 개념으로 설명이 가능합니다. 하지만 수은을 구성하는 전자들은 다른 원소들보다 핵에 더 단단히 결합되어 있습니다. 사실, 원자번호가 높은 수은의 s 오비탈 전자는 핵에 더 가까이 위치하며 상대적으로 빠르게 움직여 상대론적인 효과를 나타내며 이로 인해 느리게 움직이는 다른 전자들보다 더 무겁게 행동합니다. 전자들이 수은 원자 사이의 약한 결합을 끊고 움직이기 위해서는 매우 작은 에너지만 필요합니다.

 

참고로 보어의 계산에 따르면, 수소 원자의 s 오비탈의 전자는 광속의 약 1/137의 속도로 움직이며 이로 인해 정지상태의 전자보다 약 1.00003배 무겁게 행동합니다. 이에 반해 수은 원자의 s 오비탈의 전자는 광속의 58%의 속도로 움직이며 이로 인해 정지상태의 전자보다 23% 무겁게 행동하고 오비탈은 23%만큼 수축합니다. 이렇게 큰 상대론적 효과를 받는 수은 원자의 전자배치는 아래와 같습니다.

 

₈₀Hg(g) : ₅₄Xe,4f₁₄,5d₁₀,6s₂

 

즉, 수은 원자의 6s 오비탈은 2개의 전자로 채워져 있으며 이 전자들은 금속결합에 큰 기여를 하지 못하며 단지 반데르발스 힘에 의해 결합된다는 것을 알 수 있습니다. 결국 수은 원자 사이의 약한 결합을 극복하는데는 아주 약한 열에너지만 필요해 상온에서도 액체상태로 존재할 수 있으며 기체상태에서도 비활성기체와 비슷하게 이원자 결합을 형성하지 못합니다. 또 원자핵에 강하게 결합된 6s 오비탈의 전자들은 편재화(localized)되어 있어 전도대(conduction band)에 기여하지 못하기 때문에 수은의 전기 전도도와 열전도도는 다른 금속에 비해 낮습니다.

 

상온에서 액체인 원소들